常幅循环荷载作用下岩石的滞后及阻尼效应研究

通过花岗岩常幅循环加载试验,分析岩石的非线弹性滞后特性。卸载阶段,应变相位滞后于应力相位,加载阶段,应变相位可能滞后、相等或超前于应力相位。研究结果表明,加卸载中阻尼效应的差异引起变形曲线的畸形,变形-时间曲线变成一条上宽下窄的非正弦曲线,而塑性变形的累积使平均应变水平线逐渐上移,因此出现应变相位超前于应力相位的现象。基于应变相位与应力相位的关系,探讨滞回圈可能存在的形态,若应变相位始终滞后于应力相位,滞回圈呈椭圆形;若加载段中应变相位超前于应力相位,则呈新月形;若既有滞后又有相等和超前的情形,则呈长茄形。将岩石视为黏弹塑性材料,讨论动弹性模量和阻尼比的计算方法,给出两者的修正计算式。利用试验数据分析动弹性模量和阻尼比的演化规律,结果表明,动弹性模量的演化与应力水平密切相关,成线性或倒S型发展规律;而阻尼比则取决于动弹性模量以及滞回圈面积的大小,演化曲线呈U形或L形。     

循环荷载作用下岩石阻尼特性的试验研究

对2组红层泥质粉砂岩在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行单轴4级循环加卸载试验.试验加载波形采用正弦波,频率3 Hz,循环应力幅值小于其平均抗压强度,单级应力幅值为30个振动循环,得到动弹性模量和阻尼比随动应变的变化规律.通过试验发现,泥质粉砂岩在循环荷载作用下的加卸载应力-应变曲线并不重合,而是形成一个封闭的滞回环,动应变相位始终滞后于动应力相位;滞回环在荷载反转处并非椭圆形,而是尖叶状,在该处岩石的塑性变形小,弹性变形响应迅速.随动应力幅值增加,泥质粉砂岩的动应变增加,动弹性模量随动应变增加线性递减,而阻尼比则线性递增.得到2组泥质粉砂岩的平均动弹性模量和阻尼比与动应变的相关表达式,其相关系数的平方R2均超过98%.岩石的不可逆塑性变形随动应变增加而增大,同时由循环荷载引起的损伤变形也逐渐增加.     

循环加卸载下塑性混凝土强度及变形特性

通过塑性混凝土在单调和循环加卸载下的试验,对不同加卸载作用下塑性混凝土的强度和变形性能进行研究。结果表明,经过循环加载后塑性混凝土的强度与单调直接加载相比有所降低,变化幅度均在10%以内;当循环加卸载最大荷载为单轴强度的60%时,塑性混凝土峰值应力大于其余循环水平下的峰值应力。塑性混凝土在循环荷载作用下的加载曲线与卸载曲线不重合,卸载曲线总是滞后于加载曲线,加载曲线和卸载曲线形成了封闭的塑性滞回环。滞回环面积的大小与循环加载最大荷载密切相关,与循环加卸载的次数无关,随着循环加卸载最大荷载的增大,滞回环面积相应增大,但滞回环的斜率保持不变,即变形模量保持不变。循环加卸载影响了塑性混凝土峰值应变,单调直接加载峰值应变大于循环加卸载作用后峰值应变。     

循环荷载下冻土的滞回圈演化规律

对-1℃的冻土试样在频率5 Hz的循环荷载下进行了单轴压缩试验,探讨了冻土在循环荷载下的滞回圈演化规律。结果表明：累积应变与循环次数的关系曲线可分为破坏型和稳定型。对于破坏型曲线,循环过程中滞回圈表现出从稀疏—紧密—略微稀疏的变化特征,滞回圈的不闭合程度和面积都呈现出从大—小—略微变大的特征;对于稳定型曲线,循环过程中滞回圈表现出从稀疏—紧密的变化过程,滞回圈的不闭合程度和面积整体上看都比较小,且有逐渐变小的趋势。无论破坏型还是稳定型曲线,各个循环的卸载段始终表现出应变滞后于应力;对于破坏型曲线,初始循环的加载段应变滞后于应力,到一定循环次数后应变基本与应力同步,滞回圈呈柳叶型;对于稳定型曲线,初期循环的加载段应变基本与应力同步,到一定循环次数后应变超前于应力,滞回圈呈新月型。最大动应力越大,滞回圈的面积越大,每个循环中的能量耗散越多,试样越容易破坏。     

循环荷载下岩石变形参数和阻尼参数探讨

 对取自一拟建核电站地基的细砂岩,在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行低周循环荷载试验,研究循环荷载下细砂岩的纵横向变形特征,探讨循环荷载周次及动应力幅值对细砂岩动弹性模量、动泊松比、阻尼比和阻尼系数的影响,及与其相互关系。结果表明,相同应力下纵向应变高于横向应变;低幅值应力下,随循环荷载周次增加,纵向应变增量高于横向应变增量,但高幅值应力下则相反;横向应变滞回环的卸载阶段应力–应变曲线与纵向应变滞回环的加载段和卸载段均表现出向下突出的变化特征,但横向应变滞回环的加载段则相反;随动应力幅值增加,细砂岩动弹性模量和动泊松比分别呈抛物线递增和线性递增,阻尼比和阻尼系数均按幂函数律递减,由第16周次动应力滞回环得到的阻尼参数可表征测试岩石的阻尼特征;阻尼比和阻尼系数均随循环荷载周次增加线性递增,对应低幅值动应力下的增量大于高幅值动应力下的增量。     

循环荷载作用下花岗岩动力特性试验研究

 通过在RMT–150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机对取自海南昌江核电厂一期工程常规岛的微风化和中风化黑云母花岗岩进行单轴压缩变形试验和循环加卸载试验,研究花岗岩动应力–动应变曲线滞回特性和动弹性模量与阻尼比同弹性模量之间的规律,并利用广义开尔文流变模型来描述循环荷载下花岗岩的滞回曲线和能量损耗情况。研究结果表明：花岗岩在循环荷载作用下的加卸应力–应变曲线形成滞回环,随着循环数的增加,滞回环向轴向应变增大的方向移动,且越来越密集;花岗岩的滞回环面积和最大弹性应变能都随弹性模量的增加而减少,而动弹性模量则相反,阻尼比先随弹性模量的增大而增大,达到一峰值后,随弹性模量的增大而减少;广义开尔文模型可以较好地描述花岗岩的滞回曲线和能量损耗情况。研究成果对海南昌江核电厂地基的地震反应分析和场地安全性评价有着重要的参考意义。     

灰岩在三轴变围压循环压缩中的变形特征研究

 岩石在周期荷载作用下的力学性能是影响岩体工程长期稳定性的重要因素之一,需研究循环荷载作用下岩石的特性及演化规律。首先采用声波纵、横波波速测量方法,对岩样进行筛选。设计灰岩在施加不同围压和恒定循环上限应力作用下,三轴变围压循环加卸载下岩石变形特征测试方案。三轴变围压循环试验在GCTS–1000型岩石力学测试系统上进行,通过对试验结果的分析表明：(1) 灰岩在变、恒围压加、卸载循环中,形成一封闭的塑性滞回环。在轴向变形上滞回环面积逐次缩小;而变围压循环在径向变形上滞回环面积逐次增大,而恒围压循环在径向变形上滞回环面积几乎相等。(2) 在三轴变围压循环压缩试验中,围压增加和循环上限应力不变,残余变形量随着循环次数的增加而呈现出一个递减的趋势,轴向应变和径向应变的发展趋势是相反的。(3) 在整个循环加卸载过程中,各个加卸载阶段变形模量值不同,卸载阶段变形模量高于加载阶段变形模量。(4) 变围压循环加、卸载阶段变形模量的值大于恒围压循环加、卸载阶段下变形模量的值。通过试验,揭示灰岩在三轴变围压循环下,加载和卸载2种力学状态时变形特性的差异。同时分析变围压循环和恒围压循环状态下岩石弹性参数的差异性。     

循环加卸载中滞回环与弹塑性应变能关系研究

为了探求煤层冲击倾向性鉴定时循环加卸载中滞回环与弹塑性应变能的关系,利用电液伺服试验机对煤样进行单轴循环加卸载试验。对试验所得循环加卸载应力–应变曲线、循环次数与滞回环面积曲线、弹性应变能与滞回环面积关系等进行分析。得出结论如下:(1)随着循环次数的增加,循环次数和弹性应变能与滞回环面积呈正相关。(2)滞回环产生于循环加卸载过程的压密阶段。当煤样接近破坏时,压密阶段的不可逆塑性形变达到最大。(3)每一次循环的塑性能是新生成裂纹的耗散能,以往的弹性能量指数计算中未将压密裂纹形成的耗散能(滞回环面积)去掉,导致指数计算结果偏小,因此提出弹性能量指数修正计算公式。提出的修正公式可使煤层冲击倾向性鉴定时的弹性能量指数计算更精确。     

循环加卸载过程中砂岩能量耗散演化规律

为了深入分析循环加卸载过程中岩石能量耗散演化规律,设计、进行砂岩的单轴循环加卸载试验。详细分析典型循环加卸载滞回圈曲线变化特征,探讨加卸载过程中的总功、弹性变形能、耗散能、能量耗散率、残余应变、损伤变量等参数的变化规律及其相互关系。结果表明:(1)循环加卸载过程中,应力–应变滞后现象明显,而且存在明显的残余应变,在计算各能量参数时应该考虑这些因素的影响;(2)考虑残余变形和滞后效应的影响,提出循环加卸载过程中各能量参数修正的计算方法;(3)岩样在循环加卸载临近破坏的时候,各能量参数及残余应变出现明显的增大,能量参数和残余应变的突变均可以较好地预测岩样的破坏;(4)能量耗散率与残余应变的相关性也从另一个角度说明了在能量参数计算时不可忽略残余应变的影响。研究成果对岩石循环加卸载过程中岩石能量损伤演化规律分析具有较好的参考价值。     

等增量循环荷载下砂岩的变形特征试验研究

根据南京秦淮东河新开挖河道高边坡的受力情况,对该工程穿越地段的黄马青组(T_(2h))砂岩进行了应力水平不断提高的等增量单轴反复加载、卸载试验,并对其变形及破坏特性进行了研究。试验结果表明,岩块中不含明显结构面时,岩石可能发生拉裂和剪裂破坏。随着循环次数的增加,卸载后岩石中塑性变形逐渐增大,滞回环包络线在轴向应力较低时呈上凹型曲线。根据塑性变形速率随应力增大后的变化情况,可将岩石变形分为初始变形(空隙压密)、等速变形(微破裂稳定发展)、加速变形(裂隙贯通)后整体破坏三个阶段。岩石的变形模量随循环次数的增大先增大后减小,而阻尼比的变化规律与变形模量相反,但变形模量变化规律的转变较阻尼比滞后。岩块中包含明显的结构面时,变形模量随着循环次数的增大而不断降低,阻尼比的变化规律则较复杂,且循环加载导致岩石强度下降幅度显著,不含明显结构面的岩石强度受循环加载影响降幅较小。     

循环加、卸载孔隙水压力对砂岩变形特性影响实验研究

 利用MTS815岩石力学实验系统对饱和砂岩进行三轴等围压情况下的循环加、卸载孔隙水压力实验。结果表明：压密阶段的加、卸载曲线中出现了很多“Z”状的波动,这些小波的出现没有规律性,初始残余变形比较大,还没有形成明显的滞回曲线。在弹性耦合阶段稳定滞回曲线加载时,应变呈上凹“Z”状波动,在到达上限值前出现拐点,应变达最大值;卸载时,应变呈下凸“Z”状波动,在到达下限值前出现拐点,应变达最小值,该阶段形成稳定的滞回曲线,表现形式由疏变密,稳定滞回曲线包含弹性变形向塑性变形演化。在孔隙水压力的不同上限值和不同幅值区间的耗散能构成不对称“X”形。在加载段,随着孔隙水压力增大,耗散能逐渐减小;卸载段,随着孔隙水压力减小,耗散能逐渐减小。“X”形的交点出现的位置和夹角与不同上限值和不同幅值区间有关。在循环加、卸载孔隙水压力作用下,残余应变与循环次数的关系符合乘幂负指数关系。     

动弹模量阻尼比测试技术与归一化特性研究

动弹模量与阻尼比是土动力分析最基本的力学参数,一般通过较小应变范围的动三轴试验得到,测试技术的可靠性与试验参数求取的准确性是进行抗震安全性评估的关键。通过室内动三轴试验,比较了力与位移传感器内置与外置、不同相对位置等因素对滞回圈、动弹模量与阻尼比的影响,提出了针对存在残余变形的不闭合滞回圈的动弹模量与阻尼比的计算方法,比较了频率、围压、固结比等因素对试验成果的影响规律及特征,并在Janbu公式中引入固结比的幂函数影响因子,对不同围压、不同固结比下的动弹模量阻尼比进行了归一化特性研究。研究成果有利于提高国内科研机构在土动力参数测试方面的能力,对抗震工程与科研有积极的参考价值。     

单幅值循环动载下饱和砾砂动力特性试验研究

为探究动应力比和围压对饱和砾砂动力特性的影响,通过一系列饱和砾砂动三轴试验,分析了动应力比和围压对饱和砾砂轴向累积应变、回弹模量、动孔隙水压力以及滞回曲线的影响。结果表明:在同一围压下,动应力比增加时,砾砂的轴向累积应变、回弹模量增大,而动孔隙水压力减小;不同围压下,饱和砾砂的轴向累积应变、回弹模量以及动孔隙水压力均随围压的增加而增大;围压的增大有利于提高土体能量耗散的能力,而振次的增加会使土体的耗能作用减小;滞回曲线的倾斜程度随动应力比、围压以及振次的增加而增大,表明土体的回弹模量增加、刚度增大;滞回曲线的演化规律能够更加形象地反映出土体形变、刚度和耗能作用的变化,对土体动力特性进行分析时应结合滞回曲线的演化规律进行综合分析。     

用于ABAQUS梁单元的混凝土单轴本构模型

为准确模拟钢筋混凝土梁柱构件的滞回性能,对《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）附录C混凝土本构模型进行了补充修正。采用原点指向模型与拉区应力 应变曲线随受压残余应变点迁移法,补充完善了混凝土受拉加卸载、拉压受力状态转换的滞回规则;采用基于体积配箍率建立的约束指标λ_t分析了钢筋混凝土梁柱构件中箍筋对混凝土的约束作用;对《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）混凝土本构模型中的附加应变算法进行了修正,使得受压混凝土卸载/再加载变形模量能够反映循环加载下混凝土的受压损伤不可恢复特性。利用ABAQUS用户子程序接口UMAT,VUMAT进行二次开发,编写了适用于显、隐式动力分析的梁单元混凝土本构模型子程序,并对往复荷载下钢筋混凝土柱受力性能进行了模拟分析。结果表明:模型的数值模拟结果与拟静力试验结果吻合良好;构建的混凝土本构模型能够用于混凝土梁柱构件在复杂受力状态下的非线性性能分析。     

循环荷载下岩石阻尼参数测试的试验研究

 对岩石阻尼参数测试进行理论分析,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对细砂岩和粉砂质泥岩进行单轴压缩循环荷载下的试验研究。试验加载波形为正弦波,频率3 Hz,加卸载振动循环30次,动应力范围1.0～6.5 MPa(即2～12 kN)。利用循环加卸载试验方法对岩石阻尼参数进行测试,得到岩石密度与加卸载循环塑性变形、滞回环面积、阻尼比、阻尼系数等的变化特征。在相同测试条件下,岩石密度越大,循环加卸载得到滞回环间的塑性变形则越小,相互滞回环间距为紧密型;反之则塑性变形大,滞回环间距为稀疏型;岩石密度越大,滞回环面积则越小,岩石发生的能量耗散则越小,反之则滞回环面积大,能量耗散也大;阻尼比随密度增加而减小,阻尼系数则大致增加,故可通过岩石密度初步定性判断其阻尼参数特征。     

循环载荷下岩体能量特征及变形参数分析

 以RMT–150C岩石力学测试系统为平台,进行不同应力水平和加载速率条件下不同种类岩石材料的循环载荷试验。在对加、卸载应力–应变曲线进行分区的基础上,定义卸载过程中的能量消耗率,探讨岩石损伤破坏过程中能量的转化,同时定量分析弹性模量,泊松比和残余应变等变形参数的变化规律。研究结果表明：应力水平、加载频率越高,岩性越强,则滞回圈的面积,加载过程中做的功,卸载过程中释放的弹性能越大,岩石越软,能量消耗率越高;岩体未到达峰值抗压强度前,应力水平越高,弹性模量就越大,这说明在岩体抗压强度范围内,越高的载荷下,空隙和微缺陷被压密后,岩体相同载荷增量下的变形能力明显减弱。同时分析认为：频率升高到一定程度会导致疲劳强度的降低。整体而言,岩石轴向及横向相对残余应变均随着循环次数的增加而逐渐减小。